Os efeitos da topografia onshore é uma das principais causas da variação do regime de vento. Sem esse efeito da topografia em instalações offshore, onde a rugosidade da superfície (z0) é baixa, outros fatores dominam a variação da velocidade do vento com a altura, Figura 22.
Figura 22. Perfil vertical de velocidades para diferentes rugosidades e uma comparação da velocidade a 30m de altura. Adaptado de: (IZAGUIRRE, 2010).
O comprimento da rugosidade da superfície depende do estado do mar, aumentando com as condições das ondas, que mudam com as condições do vento. Entretanto, esta relação é complexa, como a superfície do mar, mesmo quando rugosa, não apresenta uma rugosidade fixa como as árvores, montanhas e construções, que é o caso para onshore. A baixa rugosidade na superfície também resulta em uma baixa intensidade de turbulência. Isto ajuda a reduzir as cargas mecânicas e também pode aumentar a energia capturada comparado com uma turbina idêntica onshore com idêntica velocidade média do vento. A estabilidade do vento também é evidente em campos offshore (EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION, 2009). Uma faixa de valores para z0 é apresentada na Tabela 5.
Tabela 5. Típicos valores de z0. Adaptado de: (EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION, 2009). Tipo de terreno z0 (m)
Terreno com lama, gelo 0,00001
Mar calmo 0,0001
Areia 0,0003
Superfície com neve 0,001
Solo descoberto 0,005
Grama rasteira, estepe 0,01 Campo não cultivado 0,03
Campos agrícolas 0,05
Abrigos 0,3
Florestas e áreas arborizadas 0,5
Subúrbio 0,8
Cidade 1,0
A principal diferença entre as instalações eólicas onshore e offshore está em seus respectivos ambientes, que são muito mais complexos no mar, não só pelo projeto, mas também para as obras de construção e operação.
A primeira vantagem é a melhoria da qualidade do recurso eólico no mar, onde a velocidade do vento é geralmente maior e mais uniforme, levando a efeitos de menos turbulência e com isso aumenta a vida útil da turbina eólica, pois a fadiga é menos atuante. Outras considerações devido à qualidade dizem respeito à altura em que uma turbina eólica é instalada (a altura ideal para um determinado diâmetro da turbina offshore é aquela cujas pás estão acima da altura máxima das ondas no local).
As características da camada de ar turbulento junto ao solo e à superfície do mar permite que a turbina offshore seja montada mais baixa do que a máquina equivalente onshore (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010). Como transporte e montagem são feitos no mar, praticamente não há limite para o tamanho das turbinas que podem ser instalados, em oposição aos limites impostos pelas restrições de estrada em terra. Além disso, os parques eólicos offshore podem ser instalados próximo aos grandes centros urbanos, exigindo linhas mais curtas de transmissão para trazer essa energia limpa a esses mercados de alto consumo de energia (BILGILI, YASAR e SIMSEK, 2010).
A segunda vantagem é a imensa área livre no mar, onde os parques eólicos offshore podem ser instalados. Sua colocação (longe de áreas de população) permite reduzir o impacto ambiental em relação à emissão de ruídos, quase todos relacionados com o aumento da velocidade da pá (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010). Além disso, a instalação de turbinas
suficientemente longe da costa pode praticamente eliminar os problemas de impacto visual (BILGILI, YASAR e SIMSEK, 2010).
A primeira desvantagem é o custo do licenciamento e engenharia de processo e das fases de construção e operação. Além disso, ao contrário dos parques eólicos onshore, geralmente não há infraestrutura elétrica marinha que interliga as áreas de maior recurso eólico com os centros de consumo, levando à construção de mais redes elétricas, e até mesmo para fortalecer a infraestrutura elétrica existente (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010).
A segunda desvantagem é a necessidade de se desenvolver mais tecnologia para parques eólicos offshore. Isto é essencial para as turbinas, que serão submetidas a altas cargas e devem se adaptar ao ambiente marinho, portanto, devem estar preparadas para as condições de corrosão (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010).
E uma terceira desvantagem é que, devido à rugosidade limitada da superfície do mar, a propagação das turbulências offshore é maior do que onshore. Efeitos de esteira provocados pelas próprias turbinas são muito importantes e levam a um grande impacto sobre a vida útil das turbinas. Para reduzir esse efeito, as turbinas eólicas devem ser dispostas obedecendo a uma distância mínima entre elas. Também a avaliação do recurso eólico é muito mais complexa e cara do que onshore. Embora seja evidente a diferença entre o custo da energia eólica onshore e offshore, alguns esforços têm de ser feitos para estimular a tecnologia de energia eólica offshore, e será necessária a melhoria do conhecimento em diversas questões, como turbinas eólicas, fundações, construção e as fases de operação, por exemplo (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010).
Mesmo que a tecnologia para offshore seja baseada na tecnologia onshore, existem algumas diferenças importantes entre as duas tecnologias. Turbinas offshore tendem a ser muito maiores. Atualmente, as turbinas na faixa de potência de 5 a 7,5 MW estão sendo desenvolvidas. Turbinas eólicas offshore historicamente têm sido instaladas em torres mais curtas (60 metros), em comparação com as turbinas onshore. Outra diferença entre onshore e offshore é a fundação (IZAGUIRRE, 2010).
A tecnologia offshore deve ser vista como complemento e não concorrente da onshore. Em relação ao porte dos parques, poucos sistemas onshore têm mais de 50 MW, devido à restrição de espaço, custo de terra, emissão de ruído e impacto visual. Além de preservar o espaço em terra para outras atividades econômicas diferentes da geração de energia, a implantação de aerogeradores no mar permite uma menor densidade de potência, que é geralmente de 13 MW/km² em terra e de 6 MW/km² no mar. Isso diminui o efeito esteira entre os aerogeradores offshore, elevando a eficiência do sistema, esperando-se fatores de
capacidade acima dos 50% (VITERBO, 2008). A Figura 23 faz uma comparação entre a produção de energia onshore e offshore na Europa para diferentes profundidades e a demanda energética no continente.
Figura 23. Comparação do potencial eólico onshore e offshore na Europa e sua demanda energética. Adaptado de: (ESTEBAN, DIEZ, et al., 2010).
3.1 Custos
Todos os custos aumentam significativamente com a distância da costa e a profundidade da água. A Tabela 6 mostra o fator de ajuste pelo qual os custos de investimento e instalação (com base em uma turbina perto da costa em águas rasas), devem ser multiplicados. Esta relação entre profundidade da água e os custos tem desencorajado o desenvolvimento de turbinas para águas profundas, apesar dos benefícios devido à maior velocidade do vento. De fato, atualmente, parques eólicos offshore tendem a ser localizados não mais do que 20 km da costa e em lâmina d'água de até 20 m. Os desenvolvimentos futuros implicarão maiores distâncias e profundidades. Os custos de construção e manutenção de turbinas nestas condições serão significativamente maiores do que nas águas mais rasas, especialmente quando consideramos a necessidade de conectá-las ao sistema principal de eletricidade em terra (GREEN e VASILAKOS, 2010).
Tabela 6. Impacto da profundidade e distância nos custos. Adaptado de: (GREEN e VASILAKOS, 2010).
O valor do investimento (bilhões de euros) em energia eólica offshore na Europa está mostrado na Figura 24.
Figura 24. Previsão de investimentos eólicos na Europa (preços do ano de 2005). (GREEN e VASILAKOS, 2010).
A Figura 25 compara as quedas no custo de produção de eletricidade na Europa, em US$/MWh, para as fontes eólica onshore e offshore, como função do aumento da velocidade média dos ventos e também compara os preços dessa energia frente a fontes tradicionais de geração elétrica (VITERBO, 2008).
Figura 25. Faixas de preços da energia das fontes eólicas (onshore e offshore) e de fontes não renováveis predominantes (preços do ano de 2004). Adaptado de: (WIND POWER MONTHLY, 2004).
B il hõe s de E ur os U$ $ /M Wh
O grande desafio para a energia eólica offshore é o corte dos custos: cabeamento submarino e fundações têm, até recentemente, tornado a energia eólica offshore uma opção cara. Novos estudos em tecnologia de fundações juntamente com turbinas eólicas de maiores capacidades em megawatts, estão fazendo com que a energia eólica offshore esteja em competitividade com a onshore, pelo menos para águas rasas de até 15 metros. Uma vez que as turbinas eólicas offshore geralmente rendem 50% a mais de produção do que as turbinas onshore em locais próximos (em terra plana), os locais offshore poderão ser bastante atraentes (IZAGUIRRE, 2010).
Como as turbinas eólicas são adaptadas para offshore, o processo de obtenção de economia favorável depende menos da redução dos custos de turbinas eólicas e mais do custo do ciclo de vida do sistema completo (MUSIAL e BUTTERFIELD, 2006). A Figura 26 ilustra uma típica repartição dos custos totais do sistema para um parque eólico offshore.
Figura 26. Custos típicos para um parque eólico offshore. Adaptado de: (EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION, 2009).
Em comparação, a Figura 27 mostra os custos de uma instalação onshore.
Figura 27. Custos de um parque eólico onshore. Adaptado de: (EUROPEAN WIND ENERGY ASSOCIATION, 2009).
O aspecto mais crítico no desenvolvimento e expansão da energia eólica offshore encontra-se com as fundações. À medida que aumenta a profundidade da água, é provável que o custo das fundações offshore aumente devido à complexidade e recursos necessários abaixo da linha d'água (MUSIAL e BUTTERFIELD, 2006). A Figura 28 apresenta uma visão conceitual de como estas tecnologias podem evoluir.
Figura 28. Custo da fundação com a profundidade. Adaptado de: (MUSIAL e BUTTERFIELD, 2006).
3.2 Impactos
A energia eólica tem impactos tanto positivos como negativos. No lado positivo, a energia eólica é geralmente considerada como ecologicamente correta em relação à emissão de gases, especialmente quando comparada com outras fontes geradoras de eletricidade (MANWELL, MCGOWAN e ROGERS, 2009).
Os impactos negativos da energia eólica podem ser divididos nas seguintes categorias: - Impacto sonoro;
- Impacto visual;
- Interação aves/morcegos com as turbinas; - Interferências eletromagnéticas das turbinas; - Impacto de sistemas eólicos no uso da terra.
Para sistemas onshore, os três primeiros itens incluem as principais questões ambientais que afetam a implantação do sistema eólico.
Cu sto da f u n d aç ão
Para sistemas de energia eólica offshore, é preciso também considerar os efeitos ambientais sobre o meio marinho. Até o momento, são poucos os estudos publicados sobre os impactos ambientais dos sistemas eólicos offshore. Em um estudo detalhado realizado em dois parques eólicos offshore dinamarqueses, verificou-se que houve insignificante impacto ambiental sobre as aves, peixes e mamíferos (MANWELL, MCGOWAN e ROGERS, 2009).
3.2.1 Sonoro
O som é o efeito do movimento ondulatório em gases, líquido e sólidos. Ele pode ser causado por numerosos mecanismos, e é sempre associado a rápidas flutuações de pressão em baixa escala que produzem sensações ao ouvido humano. O ruído é definido como um som indesejável (MANWELL, MCGOWAN e ROGERS, 2009).
Os principais ruídos devido aos aerogeradores são (MELO, 2009):
a) Aerodinâmicos: O principal ruído de origem aerodinâmica é produzido pelo fluxo do ar em torno das pás e em menor grau em torno da torre e na estrutura de direcionamento do rotor. O outro é produzido pela turbulência. Os ruídos de origem aerodinâmica geralmente crescem com a velocidade do rotor;
b) Mecânicos: Os ruídos de origem mecânica em grandes aerogeradores são provenientes do multiplicador de velocidade, do gerador elétrico, dos motores de direcionamento, dos ventiladores do sistema de resfriamento e dos equipamentos auxiliares.
A Figura 29 mostra o ruído provocado por algumas fontes sonoras.
Figura 29. Ruído provocado por diversas fontes em decibéis. Adaptado de: (GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL, 2008).
No caso das turbinas eólicas offshore, como estarão a certa distância da costa, esses efeitos serão minimizados ou até mesmo eliminados dependendo dessa distância.
3.2.2 Visual
A indústria da energia eólica onshore desenvolveu uma bateria de ferramentas muito sofisticadas para avaliação qualitativa e quantitativa do impacto visual. Estes incluem:
- Mapeamento da zona de influência visual (ZIV), para mostrar quantas turbinas são visíveis;
- Técnicas de fotomontagem que colocam imagens das turbinas geradas por computador em uma imagem fotográfica da paisagem, Figura 30;
- Animações, que mostram o movimento das turbinas sobreposto na paisagem. Uma variação disso é a técnica "voar através" que permite ao espectador olhar para as turbinas de vários ângulos.
Estas ferramentas podem ser adaptadas para offshore (IZAGUIRRE, 2010).
Figura 30. Simulação do tamanho da turbina em relação à costa. Adaptado de: (IZAGUIRRE, 2010). As condições climáticas também devem ser consideradas, tais como a presença de nevoeiro, que reduz a visibilidade do parque eólico. Para diminuir o risco de colisão com navios ou aeronaves (a pá de uma turbina de 3,6 MW atinge uma altura cerca de 130-140 m), pintam-se as pás da turbina eólica com cores específicas, e, em alguns casos também se coloca um sistema de iluminação na nacele. Estas soluções fazem a turbina mais visível, não só aos navios e aviões, mas também para a população (IZAGUIRRE, 2010).
Atualmente, vários locais já dispõem de seus aerogeradores como cartões-postais de suas cidades e surge a modalidade de turismo eólico – onde as pessoas vão apreciar essas máquinas – podendo incrementar a economia local (COSTA, CASOTTI e AZEVEDO, 2009).
3.2.3 Ambiental
Vários estudos são feitos para a redução dos impactos ambientais dos aerogeradores como um todo, de forma a manter a energia eólica como uma das energias mais limpas do mundo, Tabela 7.
Tabela 7. Impacto ambiental de diferentes fontes de energia. Adaptado de: (AMERICAN WIND ENERGY ASSOCIATION, 2009).
Impacto Eólica Nuclear Carvão Gás Natural
Emissão de gases de efeito estufa Não Não Sim Sim
Poluição do ar Não Não Sim Limitada
Mercúrio Não Não Sim Não
Mineração/Extração Não Sim Sim Sim
Resíduo sólido Não Sim Sim Não
Uso de água Não Sim Sim Sim
Impacto no habitat Sim Sim Sim Sim
3.2.3.1 Pássaros
Os aerogeradores podem causar mortes de pássaros maiores pelo choque nas pás. No início, os aerogeradores eram instalados sem o estudo de rotas migratórias de pássaros levando às mortes desses animais. Hoje, para diminuir ainda mais as taxas de mortes aviárias, Figura 31, alguns parques instalam estímulos visuais e auditivos nas torres, evitando a ocorrência desses acidentes (COSTA, CASOTTI e AZEVEDO, 2009).
Figura 31. Número estimado de mortes de pássaros pela geração de energia eólica, nuclear e fóssil por ano. Adaptado de: (SOVACOOL, 2009).
3.2.3.2 Vida Marinha
Os parques eólicos offshore podem ter impactos positivos e negativos sobre os peixes. Tal como acontece com os mamíferos marinhos, os peixes podem ser muito sensíveis a sons intensos e podem ser deslocados durante a construção de parques eólicos, no entanto, há uma grande variabilidade entre os sistemas auditivos dos peixes de diferentes espécies que respondem de forma diferente ao ruído da construção subaquática (SNYDER e KAISER, 2008).
Muitas espécies de peixes também são sensíveis aos campos elétricos e magnéticos que podem ser causados por cabos submarinos enterrados. Peixes usam sua percepção de campos elétricos e magnéticos para orientação e detecção de presas. As espécies que contêm material magnético, potencialmente para fins de navegação incluem várias espécies de peixes de importância econômica (SNYDER e KAISER, 2008). Embora estudos tenham mostrado que os campos magnéticos podem afetar os peixes, há até o momento evidências limitadas de que os peixes são influenciados pelos campos eletromagnéticos dos cabos submarinos. Estudos do Mar Báltico indicaram alguns efeitos menores (IZAGUIRRE, 2010). Além desses efeitos negativos, há uma discussão sobre o potencial de impactos positivos dos parques eólicos offshore de peixes e a pesca. Após a construção de um parque eólico offshore, as fundações das turbinas poderiam atuar como dispositivos de concentração de peixes (SNYDER e KAISER, 2008).
A experiência dos parques eólicos de Vindeby (Dinamarca), Figura 7, e Ijsselmeer (Holanda), por exemplo, sugere que eles tiveram um efeito positivo sobre as populações de peixes. Ambos os parques eólicos têm fundação tipo base de gravidade, que atuam como recifes artificiais para organismos que vivem no fundo do mar, aumentando assim a quantidade de alimentos disponíveis para os peixes. Fundações monopilares serão menos eficazes como recifes artificiais e, portanto, algumas conclusões podem ser extraídas da experiência destes primeiros projetos. Pouco se sabe sobre o efeito do ruído subaquático e da vibração na vida marinha. A informação disponível sugere que o ruído subaquático gerado pelos parques eólicos offshore será na mesma faixa de frequências que fontes existentes, tais como navios de transporte, vento e ondas. Também convém notar que um critério do projeto de uma turbina offshore e da sua estrutura de apoio é evitar a ressonância, a fim de prolongar a vida útil da máquina (IZAGUIRRE, 2010).